NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE

NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE Chương 1: Tổng quan về công nghệ LTE Chương 2: Tìm hiểu về khả năng quản lý tính di động của mạng GSMGPRS, WCDMA UMTS. Chương 3: Quản lý tính di động trong mạng LTE Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc

sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc:… …giờ… ….ngày… … tháng … ….năm………

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI NÓI ĐẦU

Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn

so với khả năng của các mạng hiện tại Di động đem lại các lợi ích rõ ràng cho các người sử dụng đầu cuối: Các dịch vụ trễ thấp như các kết nối thoại và video theo thời gian thực có thể được duy trì ngay cả khi di chuyển trên các tàu điện tốc độ cao Tất nhiên di động cũng phải trả giá bằng mức độ phức tạp của mạng các giải thuật mạng và quản lý mạng trở nên phức tạp Mục tiêu của mạng LTE đảm bảo được tính di động liền mạch trong khi vẫn duy trì khả năng quản lý mạng đơn giản

Xuất phát từ khả năng đó của mạng LTE em chọn đề tài: Nghiên cứu về quản lý di động trong mạng LTE

Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ LTE

Chương 2: Tìm hiểu về khả năng quản lý tính di động của mạng GSM/GPRS, WCDMA UMTS

Chương 3: Quản lý tính di động trong mạng LTE

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới Thiệu Chung Về Công Nghệ LTE

LTE (Long Term Evolution: phát triển dài hạn) là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

1.2 Các Đặc Điểm Của Công Nghệ LTE

Các mục tiêu thiết kế chính của công nghệ LTE là:

- Hệ thống phải hỗ trợ tốc độ đỉnh đường xuống là 100Mbps và đường lên là 50Mpbs trong băng thông 20MHz

- Tại điểm 5% CDF (xác suất 5% mất thông tin), thông lượng trung bình của người sử dụng trên 1MHz gấp 2 đến 3 lần R6 HSPA

- Hiệu suất phổ tần đường xuống gấp 3 đến 5 lần R6 HSPA và đường lên gấp 2 đến 3 lần R6 HSPA trong mạng có tải

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h Các công nghệ quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến của LTE là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), ấn định tài nguyên động đa kích thước (thời gian, tần số) và thích ứng đường truyền, truyền dẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output),

mã hóa turbo và HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) với kết hợp mềm

CHƯƠNG 2 - TÌM HIỂU VỀ KHẢ NĂNG QUẢN LÝ DI ĐỘNG

CỦA MẠNG GSM/GPRS, WCDMA UMTS

2.1 Các vấn đề chung về quản lý tính di động

Sau khi nhập mạng UE có thể nằm trong hai trạng thái: RRC_IDLE và chế độ RRC_CONNECTED Trong trang thái thứ nhất mạng chỉ biết UE tại mức LA/RA (Location Area/ Routing Area: vùng định vị/ vùng định tuyến) trong chế độ thứ hai mạng biết được vị trí UE tại mức ô Di động trong chế độ thứ nhất được thực hiện bằng cách UE chọn lại ô (Cell Reselection) Trong chế độ thứ hai mạng biết được vị trí của UE tại mức ô và URA Nếu UE trong trạng thái CELL_DCH, di động sẽ được thực hiện bằng cách chuyển giao mềm (thay đổi tập tích cực) hoặc chuyển giao cứng do mạng điều khiển Trong chế độ CELL_FACH /PCH /URA_PCH, di động

sẽ được thực hiện bằng cách chọn lại ô để đưa ra quyết định chọn ô, chọn lại ô và chuyển giao, UE phải thực hiện đo

2.2 Quản lý tính di động trong GSM

2.2.1 Đo

MS phải luôn luốn thực hiện đo Bình thường khi không có cuộc gọi, MS phải đo cường độ tín hiệu cũng như chất lượng tín hiệu từ các BTS lân cận để chọn lại ô

Các MS phải báo các kết quả đo BTS phục vụ và các BTS lân cận (tới 6 tế bào) ít nhất là một lần trong một giây Báo cáo được thực hiện ở tốc độ ít nhất 130bit/s ở các kênh SACCH

2.2.2 Điểu khiển công suất và TA (Timing Advance)

Điều khiển công suất để giảm nhiễu và tăng thời gian làm việc của accqui (pin) trong MS

GSM sử dụng sơ đồ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDM), vì thế BTS phải thu các tín hiệu từ các MS ở gần Đối với các MS ở xa, do trễ truyền sóng các cụm số liệu được phát đi tù các khe thời gian phát đi từ MS tại các vị trí khác nhau trong ô có thể bị trễ khác nhau nên chúng có thể chồng lấn lên nhau Để tránh được điều này cần định thời trước thời gian (Timing Advance) sao cho các

MS ở xa BTS phát sớm hơn các MS ở gần BTS

2.2.3 Chọn ô (Cell Selection) và chọn lại ô (Cell Reslection)

Chọn ô được thực hiện khi MS lần đầu đăng ký với mạng (bật nguồn hoặc chuyển mạng)

Chọn lại ô là quá trình mà trong đó MS chọn một ô mới để giám sát khi nó đăng ký với mạng và đã ở trong một ô Cần lưu ý rằng chọn ô và chọn lại ô do MS tự thực hiện mà không có sự điều kiển của mạng Mạng chỉ thực hiện điều này khi MS đã có kênh TCH Khi

MS chọn một ô mới, nó không thông báo với mạng trừ khi ô mới này thuộc một LA (vùng định vị) mới

- Chuyển giao trong BSC

- chuyển giao giữa hai BSC cùng thuộc một MSC

- Chuyển giao giữa hai BSC thuộc hai MSC lần thứ nhất

- Chuyển giao giữa hai BSC thuộc hai MSC lần thứ hai

2.3 Quản lý tính di động trong mạng WCDMA UMTS

2.3.1 Các trạng thái của UE

Máy trạng thái RRC của UE có hai chế độ: chế độ rỗi (IDLE) và chế độ kết nối (CONNECTED)

Trong chế độ kết nối UE có bốn trạng thái

Cell_DCH là trạng thái được sử dụng khi truyền dẫn số liệu từ/đến UE tích cự trên kênh DCH

CELL_FACH, UE không được ấn định DCH, nhưng các kênh RACH và FACH được sử dụng để chuyền báo hiệu và các khối nhỏ

số liệu trong mặt phẳng người sử dụng

CELL_PCH, SRNC vẫn biết được vị trí UE tại mức ô, nhưng để đạt đến UE mạng phải tìm gọi

URA_PCH rất giống với CELL_PCH, ngoại trừ việc UE không thực hiện thủ tục cập nhập ô sau khi chọn lại ô mà đọc BCH xem URA (UTRAN Registration Area: vùng đăng ký UTRAN) có thay đổi hay không

2.3.2 Quản lý di động và đo của UE

Trong 3G WCDMA có các kiểu chọn ô, chọn lại ô và chuyển giao như sau:

 Chuyển giao mềm, mềm hơn

 Chuyển giao cứng

2.3.3 Quản lý di động trong chế độ RRC-IDLE

2.3.3.1 Chọn ô (Cell Selection) và chọn lại ô (Cell Reselection)

UE chọn một ô phù hợp của PLMN (mạng thông tin đi động) được chọn dựa trên các kết quả đo Thủ tục này thường được gọi là chọn ô (Cell Selection) Nếu UE có thể tìm thấy một ô là ứng cử tốt nhất để chọn lại (Cell Reselection theo tiêu chuẩn chọn lại, nó chọn lai ô này và cắm trại tai ô này sau đó lại kiểm tra xem ô này có thể phù hợp cho cắm trại hay không)

 Chọn ô (Cell Selection)

Tiêu chuẩn chọn lại ô dựa trên các thông số Srxlev>0 và Squal>0 theo các phương trình sau:

Trong đó

Được thông báo bởi kênh BCH (-18dB)

cực đại đo bằng dBm mà UE được phép sử dụng trong ô (24dBm),

PUMAX [dBm] là công suất pháp cực đại của UE được quy định theo thể loại UE PEMAX được định nghĩa bởi lớp cao hơn và được thông báo bởi kênh BCH

 Chọn lại ô (Cell Reselection)

Chọn lại ô xảy ra khi E/UE đang cắm trại bình thường tại một ô nhưng phát hiện một ô mới tốt hơn Để chọn lại ô, các ô để cắm trại được phân hạng theo tiêu chí R:

Trong đó:

- Qmeas có thể là CPICH RSCP [dBm] hoặc Ec/Io [dB]

- Qhyst là trễ công suất hoặc trễ chất lượng cho ô đang phục vụ [dBm/dB]

- s là ô đang phục vụ

- n là ô lân cận

hạng tốt hơn ô đang phục vụ trong khoảng thời gian Treselection

Tiêu chuẩn của chọn lại ô phải đạt được tiêu chí S và hạng của ô lân cận phải cao hơn hạng của ô đang phục vụ và các ô khác sau một khoảng thời gian trễ chọn lại ô Treselection:

Qn > Qs + Qofset,s/n + Qhyst,s

T ≥ Treselection

Sn là tiêu chí chọn ô

Qn và Qs là CPICH RSCP hoặc Ec/I0 của ô đang phục vụ

hạng tốt hơn ô đang phục vụ trong khoang thời gian Treselection

2.3.3.2 Quản lý di động trong trạng thái CELL-DCH của chế độ RRC-CONNECTED: chuyển giao

Trong chế độ trạng thái Cell-DCH của chế độ RRC-Connected di động sẽ được thực hiện bằng chuyển giao mềm (thay đổi tập tích cực) hoặc chuyển giao cứng do mạng điều khiển Trong khi GSM chỉ có thể thực hiện chuyển giao cứng thì WCDMA có thể thực hiện ba kiểu chuyển giao: (1) chuyển giao mềm, (2) chuyển giao mềm hơn và (3) chuyển giao cứng

2.4 Quản lý tính di động trong HSPA

2.4.1 Các trạng thái 3G UMTS với HSDPA/HSUPA của UE

Trong chế độ rỗi, sau khi UE bật nguồn, nó chọn một mạng di động để kết nối UE chọn một ô thích hợp của mạng này để nhận được các dịch vụ từ nó và điều chỉnh đến kênh điều khiển và cắm trại tại ô này Trong trạng thái rỗi UTRAN không thông tin về UE, mạng chỉ có thể tìm được UE qua tìm gọi và UE phải giám sát tìm gọi Trong chế độ kết nối, UE có bốn trạng thái

Hình 2.9: Các trạng thái RRC với HSDPA/HSUPA

2.4.2 Quản lý di động trong HSDPA

HSDPA không sử dụng chuyển mạch mềm, vì truyền dẫn HS-DSCH

và DCCH chỉ xảy ra trong một ô được gọi là “ô phục vụ DSCH” RNC quyết định ô phục vụ HS-DSCH cho HSDPA UE Ô phục vụ là một ô trong tập tích cực của UE

HS-2.4.2.1 Sự kiện đo cho ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất

RNC quyết định các ô nào sẽ có mặt trong tập tích cực để truyền dẫn các DCH RNC phục vụ đưa ra quyết định chuyển giao dựa trên các báo cáo đo kênh CPCH từ UE Báo cáo kết quả đo về CPICH

Ec/N0 của ô tốt nhất được khởi động khi ô tốt nhất thay đổi Có thể lập cấu hình sự kiện đo này sao cho tất cả các ô trong tập ứng cử của người sử dụng đều được xét hay chỉ giới hạn sự kiện đo sao cho chỉ

có các ô trong tập tích cực đối với các DCH của người sử dụng là được xét

2.4.2.2 Chuyển giao từ HS-DSCH đến HS-DSCH giữa các NodeB

HSDPA hỗ trợ di động cả giữa các đoạn ô cùng một NodeB và giữa hai NodeB khác nhau

2.4.2.3 Chuyển giao từ HS-DSCH sang HS-DSCH nội NodeB Chuyển giao từ HS-DSCH sang HS-DSCH nội NodeB giữa hai đoạn ô cũng được hỗ trợ Thủ tục chuyển giao này cũng giống như chuyển giao giữa các NodeB, ngoại trừ việc chuyển các gói được nhờ đệm và việc thu HS-DSCH đường lên

2.4.2.4 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau

Sau khi SRSN đã quyết định chuyển giao, nó ghi bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến đã được đồng bộ đến các NodeB liên quan

và đồng thời giử bản tin RRC đặt lại cấu hình kênh vật lý đến UE để thực hiện chuyển giao Trong trường hợp này bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến được SRNC gửi đến NodeB đích thông qua DRNC 2.4.2.5 Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH

Sau Khi RNC phục vụ quyết định khởi xướng chuyển giao này,

bản tin chuẩn bị lập lại cấu hình đường truyền vô tuyến được gửi đến các NodeB tham gia, đồng thời bản tin lập lại cấu hình kênh vật lý

RRC được gửi đến người sử dụng Chuyển giao HS-DSCH sang

DCH dẫn đến khởi tạo lại các PDU trong MAC-hs trong ô nguồn, sau

đó các PDU này được khôi phục lại thông qua phát lại của các lớp cao hơn, chẳng hạn các phát lại RLC

CHƯƠNG 3 - QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE 3.1 Các Giao Thức Trên Giao Diện Vô Tuyến LTE

So sánh với mô hình OSI (Open System Interconnection: kết nối

hệ thống mở) ta thấy RRC nằm trong OSI L3 (L3: Layer 3); PDCP, RLC và MAC là ba lớp con của OSI L2 và PHY nằm trong OSI L1

Hình 3.2 Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE 3.2 Các trạng thái LTE UE

Trong LTE UE có thể có hai bộ máy trạng thái đầu cuối, các

bộ máy trạng thái này không chỉ được duy trì trong UE mà cả

trong mạng Bộ máy thứ nhất được đặt tại lớp RRC và được duy

trì trong eNodeB, bộ máy thứ hai được đặt tại lớp MM (Mobility Management: quản lý di động) và được duy trì tại S-GW trong mạng lõi

Tại lớp RRC có hai trạng thái RRC-CONNECTED (RRC kết nối) và RRC-IDLE (RRC rỗi) tùy thuộc vào kết nối RRC có được thiết lập hay không

Trong trạng thái RRC-IDLE, UE giám sát kênh tìm gọi và phát hiện các cuộc gọi vào, nhận thông tin hệ thống và thực hiện đo đạc các ô lân cận cũng như chọn/ chọn lại ô

Tại mức lõi, bộ máy trạng thái MM quản lý ba trạng thái LTE: Rời mạng (LTE-Detached), tích cực (LTE-Active) và rỗi (LTE-Idle)

3.3 Các tiêu chí chọn lại ô, chuyển giao trên giao diện vô tuyến

Trong hệ thống tổ ong, MS chuyển động từ ô này đến ô khác và thực hiện chọn ô, chọn lại ô và chuyển giao, nó phải đo cường độ tín hiệu cũng như chất lượng tín hiệu của các ô lân cận

Trong 3G UMTS, UE đo Carrier RSSI (Received Signal Strength Indicator: chỉ thị cường độ tín hiệu thu), CPICH RSCP (Common Pilot Channel Received Signal Code Power: công suất mã tín hiệu thu kênh hao tiêu chung) và Ec/I0

Trong mạng LTE UE đo hai thông số trên tín hiệu tham chuẩn: RSRP (Reference Signal Received Power: công suất thu tín hiệu tham chuẩn) và RSRQ (Reference Signal Quality: chất lượng thu tín hiệu tham chuẩn)

3.4 Quản lý di động trong LTE

Mục tiêu của LTE là đảm bảo di động suôn sẻ trong khi vẫn duy trì quản lý mạng đơn giản

3.4.1 Quản lý di động trong chế độ rỗi

hợp để “hạ trại” với yêu cầu là ô này không bị cấm và có chất lượng

vô tuyến đủ tốt Sau đó chọn ô, EU phải đăng ký với mạng để nâng cấp PLMN được chọn thành PLMN được đăng ký

3.4.1.2 Chọn ô và chọn lại ô

Khi UE bật nguồn lần đầu, nó sẽ khởi đầu thủ tục chọn ô UE quét các kênh tần số vô tuyến trong các băng tần của E – UTRA theo khả năng của nó để tìm một ô thích hợp Trên mỗi tần số sóng mang UE chỉ cần tìm ô mạnh nhất, chọn ô lần đầu được sử dụng để bảo đảm rằng UE nhận được sự phục vụ (hay trở lại vùng phục vụ) nhanh nhất

UE cũng có thể đã lưu thông tin về các tần số sóng mang khả dụng và các ô lân cận Sau khi UE đã hạ trại tại một ô, nó sẽ tiếp tục tìm một ô tốt hơn như là ứng cử cho chọn lại theo tiêu chuẩn chọn lại

Để hạn chế các đo đạc chọn lại ô, chuẩn đưa ra quy định là nếu

thực hiện bất kỳ một đo đạc nào trên cùng tần số hoặc giữa các hệ thống Đo trên cùng một tần số khởi động khi Sservingcell < Sintrasearch Các đo đạc trên các tần số khác nhau được khởi động thì Sservingcell <

a) Chọn lại trên cùng một tần số và đồng mức ưu tiên

Hạng của ô được sử dụng để tìm ra ô tốt nhất cho EU hạ trại đối với chọn ô trên cùng một tần số và đồng mức ưu tiên

Xếp hạng được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn R1 đối với ô phục

vụ và Rn đối với ô lân cận

R = Q + Q